Objetivos do trabalho

O objetivo geral deste trabalho é fazer uma análise das variáveis de operação de um queimador industrial a gás por difusão e com dispositivo promotor de turbulência, da zona de preaquecimento de um forno de reaquecimento de placas, através de simulação numérica utilizando computação fluidodinâmica, realizando aferição dos resultados por meio de medições experimentais. As análises foram realizadas considerando operação em regime permanente para várias condições de aporte térmico no queimador, i.e., com variação de vazão de gás e ar de combustão. O combustível utilizado na operação do queimador foi o gás natural.

Objetivos específicos deste trabalho foram:

x Desenvolver ferramenta que permita redimensionar queimadores ou ajustar as condições de operação de processos de combustão existentes, em função da variação da composição química de gases combustíveis;

x Realizar análise referente ao queimador para gás de coqueria, pois as medições de pressão feitas para o gás natural foram corrigidas para o GCO através do Índice de Wobbe modificado (WIm), sendo que as medições de vazão de GN foram corrigidas para o GCO levando-se em conta poder calorífico de cada

gás. Este procedimento foi adotado para o GCO pela impossibilidade de fazer as medições com este gás, no período do desenvolvimento deste trabalho, devido à rede de distribuição estar inoperante;

x Calcular os coeficientes de descarga dos orifícios, parâmetro de dimensionamento de queimadores, através da simulação numérica e comparar com os resultados de correlações empíricas;

x Analisar os principais parâmetros físicos característicos do comportamento aerodinâmico e térmico do sistema analisado;

x Fazer a modelagem do volume de controle englobando queimador e câmara de combustão utilizando o código numérico Fluent (ANSYS, 2010);

x Avaliar o comportamento da chama em função da variação da vazão de ar de combustão nos orifícios de ar primário, que promove o movimento rotacional no queimador;

x Avaliar a distribuição de temperatura no forno;

x Avaliar a distribuição de oxigênio no forno em função da variação da qualidade do gás natural;

x Avaliar a formação de fuligem ao longo do forno em função da variação da qualidade do gás natural.

1.3 Contribuições

As contribuições podem ser resumidas como:

- Desenvolvimento de uma metodologia para dar suporte a projetos ou modificações de bocais/orifícios de queimadores gás por difusão com escoamento subsônico, baseado em um queimador de referência, utilizando-se simulação numérica;

- Demonstração de que se pode utilizar a equação básica de dimensionamento de placas de orifício, que considera escoamento incompressível e adiabático, para dimensionamento de orifícios de queimadores com escoamento subsônico;

- Demonstração de que se pode utilizar o Índice de Wobbe modificado, como parâmetro de ajuste operacional para ajustar a pressão de queimadores em função da variação da composição química ou de mudança de combustível;

- Verificação de que simulações numéricas em CFD tridimensional são uma efetiva ferramenta para projetar/estudar queimadores com maior precisão, quando usada em conjunto com abordagens empíricas e experimentais, pois é capaz de fornecer resultados que mostram situações complexas de uma maneira muito clara e recomendações valiosas.

- Análise qualitativa das conseqüências de alteração da composição química do gás natural, mesmo dentro da faixa permitida pela ANP (Agência Nacional de Petróleo). Foi investigado o aumento da formação de fuligem quando a composição muda de tal maneira que o Índice de Wobbe é máximo e o aumento de oxigênio quando a composição muda de maneira que o Índice de Wobbe é mínimo.

- Uma contribuição importante decorre do fato de a estabilidade de chama e uma combustão completa serem dependentes não somente das propriedades do gás, mas também do projeto do queimador, incluindo seus bocais/orifícios. A análise qualitativa dos gases e subseqüente intercambialidade dos mesmos está intimamente relacionada com as características dos bocais/orifícios. A inovação do presente trabalho é abordar a modelagem de combustão integrada com a modelagem do bocal/orifício. Em nenhum trabalho publicado anteriormente, foi identificada a preocupação em verificar se a pressão a montante dos queimadores, calculada pelo modelo, apresentava concordância com a medida experimental. Este ponto para queimadores industriais é de vital importância, pois somente com a pressão correta se terá o desempenho apropriado do queimador. A modelagem do queimador, em termos de preocupação da construção de uma malha refinada adequadamente somente foi vista em orifícios de medição, razão que grande parte das referências deste trabalho estárelacionada a trabalhos com orifícios de sistemas de medição ou sistemas hidráulicos. Bocais/orifícios são projetados para um determinado coeficiente de descarga, normalmente obtidos de medições experimentais. O presente trabalho estudou orifícios de queimadores em conjunto com o processo de combustão, com a preocupação de modelar corretamente o orifício além da modelagem de combustão.

Portanto, este trabalho é uma primeira abordagem, utilizando análise de simulação numérica, das conseqüências na estabilidade da combustão devido às variações de composição química de um gás. Para gás natural esta análise tem sido feita através de

experimentos. Contudo, a modelagem numérica pode contribuir complementando as abordagens empíricas, de modo a contribuir com recomendações que podem ser relacionas a alterações na regulamentação da qualidade do gás ou a modificações nos equipamentos/sistemas de combustão, de maneira que se possa conviver operacionalmente com variações na qualidade do gás adequadamente, tendo em vista aspectos ambientais, de eficiência e segurança.